Item 19：设计 class 犹如设计 type

从 class 初稿的问题开始

声明一个 class，就是向语言加入一种新 type。调用者会创建、复制、移动、比较、转换、存储和销毁它；编译器会根据声明决定哪些表达式合法。因此 Item 19 的要求是 Treat class design as type design（设计 class 犹如设计 type）。

先预测：如果只看到一个 class 声明，你能否说出它允许的合法值、复制方式、失败保证和可接受的转换？若不能，说明还没有完成 type design。

下面这个初稿只有存储，没有类型设计：

struct Money {
    long long amount;
    int currency;
    int scale;
};

它允许负 scale、未知 currency、不同币种直接相加，也没有说明 amount 是元、分还是最小货币单位。public fields 把所有责任推给每个调用者。

设计应先写出契约，再选择字段。字段只是实现契约的一种方式。

先定义合法值与不变量

类型首先要回答“什么对象是合法的”。Money 至少需要 currency、scale 与数值范围的一致规则。

class Money {
public:
    static Result<Money, MoneyError> fromMinor(
        std::int64_t amount,
        Currency currency);
 
    std::int64_t minorUnits() const noexcept { return amount_; }
    Currency currency() const noexcept { return currency_; }
 
private:
    Money(std::int64_t amount, Currency currency) noexcept;
 
    std::int64_t amount_;
    Currency currency_;
};

private constructor 与 validating factory 确保公开世界只能看到合法 Money。每个 modifier 要么保持 invariant，要么失败且对象不变。

对象创建销毁是一份协议

object creation and destruction（对象创建销毁）不只是 constructor/destructor 语法。需要回答：允许 default construction 吗；创建会失败吗；失败怎样报告；对象拥有资源吗；谁能销毁；销毁是否可抛；是否允许 stack、heap 和跨模块创建。

对没有合理“空金额”的 Money，可以不提供 default constructor。对 identity object 如数据库连接，创建可能走 factory，析构归还连接，复制被删除，移动转移句柄。

class Connection {
public:
    static Result<Connection, ConnectError> open(Endpoint);
 
    Connection(const Connection&) = delete;
    Connection& operator=(const Connection&) = delete;
    Connection(Connection&&) noexcept;
    Connection& operator=(Connection&&) noexcept;
    ~Connection() noexcept;
};

先决定 value 还是 identity，再决定 special members；不能因为字段“刚好可复制”就默认允许复制。

初始化与赋值必须分开回答

initialization and assignment（初始化与赋值）看起来都把 rhs 内容放进 lhs，但前提完全不同：初始化面对尚不存在的值，赋值面对一个已有合法对象。

Money price = Money::fromMinor(1999, Currency::CNY).value(); // initialization
Money backup = price;                                        // copy initialization
backup = discount;                                           // assignment

assignment 要说明币种是否可改变、失败时 lhs 是否保持原值、self-assignment 是否安全。若类型持有多个资源，copy-and-swap 或先构造 candidate 再 commit 可提供强异常保证。

移动后的源对象不必保持原值，但必须可析构、可重新赋值，并满足文档声明的最小状态。

按值传递暴露了什么成本

类型设计还要回答 pass-by-value 的含义与成本。Money 只有两个机器字且复制独立，按值可能合理；Connection 不可复制，只能 borrow 或 transfer。

对于多态基类，按值传递还会 slicing；对于小型 value type，过度强制 const reference 可能增加间接访问。接口应从语义和测量决定，而不是套统一口号。

操作集合要符合领域代数

能实现 operator 不等于应该提供。Money 的加法只对同币种闭合；不同币种需要 ExchangeRateContext，不能悄悄读取 global 汇率。

Result<Money, CurrencyMismatch> operator+(Money lhs, Money rhs);
 
Money convert(
    Money source,
    Currency target,
    const ExchangeRateTable& rates,
    RoundingPolicy rounding);

比较也要决定 total ordering 是否存在。金额币种不同，直接 operator< 可能没有语义；显式转换后比较更诚实。

类型转换扩大了合法表达式集合

type conversions（类型转换）决定哪些其他类型能悄悄进入当前类型。隐式转换每增加一个，overload resolution 与调用者推理都会更复杂。

Money(long long) 不应隐式，因为整数没有 currency；operator long long() 也会静默丢失币种。可改用命名 factory 和 accessor：

auto price = Money::fromMinor(1999, Currency::CNY);
auto units = price.value().minorUnits();

无损且符合直觉的转换才可能隐式，例如 iterator 到 const_iterator；仍要测试 overload ambiguity。单参数 constructor 默认应先考虑 explicit。

继承必须回答 substitutability

inheritance（继承）不是代码复用按钮，而是在类型系统中声明关系。public inheritance 表示派生对象可在任何要求 base 的地方使用，并保持 base 的全部可观察契约。

若 FixedRateMoney 企图继承 Money，但禁止 currency 变化，而 base assignment 允许变化，substitutability 已破坏。只复用实现时应使用 composition 或 private implementation helper。

多态基类还要决定 virtual destructor、clone、copy policy、object slicing 与异常规格；这些都是 type contract，不是后补细节。

暴露与封装决定演进空间

public data、inline representation assumptions 和返回内部 handle 都会把实现变成用户依赖。类型应暴露语义操作，而不是存储步骤。

Money 可以今天使用 int64 minor units，未来换成 decimal；只要 observable contract 不变，调用者无需修改。若公开 amount/scale 字段，迁移会穿透整个代码库。

越多 public member、conversion 和 operator，compatibility surface 越大。最小接口不是少写代码，而是减少未来无法撤回的承诺。

泛型需求与性能保证也要提前决定

若类型要进入 unordered container，需要 equality 与 hash 一致；要排序需要 ordering；要做 compile-time value 需要 literal-type 条件；要跨 ABI 需要稳定 layout 或 opaque handle。

性能也是 observable contract 的一部分。用户可能依赖 move 是 O(1)、lookup 是对数复杂度、destructor 不阻塞。若无法长期保证，不要在接口文档中随意承诺。

用类型契约矩阵验收设计

先预测 Money 初稿会允许哪些非法表达式，再为每类决策建立证据：

• 构造：非法 currency、overflow、wire scale 不会发布对象。
• 复制移动：value type 独立；identity type 不可复制；moved-from 可析构和赋值。
• 赋值：self-assignment 与失败注入保持 invariant，资源不重复释放。
• 转换：整数不能隐式变 Money，信息损失必须命名且可见。
• 运算：不同币种相加返回明确错误，rounding policy 不依赖 global state。
• 继承：base contract tests 对每个 derived 重跑，验证 substitutability。
• 泛型：equality/hash、ordering 与 container requirements 保持一致。
• 性能：benchmark 验证承诺的复制、移动和 allocation 行为。

这张矩阵能区分“代码当前能跑”和“类型契约已经设计并可持续验证”。

小结

• 设计 class 就是在设计新 type，应先写 observable contract，再选字段与函数
• 合法值和 invariant 决定对象何时可以发布，创建与销毁共同形成生命周期协议
• initialization 建立对象，assignment 替换已有对象，两者的失败和 self-assignment 契约不同
• value/identity 语义决定 copy、move、destructor 和参数 ownership
• operator、type conversion 与 inheritance 都会扩大合法表达式集合，必须符合领域规律
• 用 type contract matrix 验证构造、转换、继承、泛型与性能承诺